洁净室设计中高效空气过滤器的选择原则

由于洁净室的特性不同，高效过滤器的选择首先要按照洁净室的级别、无菌程度、温湿度、耐火程度、防腐等不同要求来确定。如100级以下选择A类或B类，100级以上则需要选择C类过滤器；高温高湿条件下宜选用金属分隔板和金属框架的过滤器；有防腐要求的宜选用塑料分隔板和塑料框架的过滤器；有防火要求的，过滤器所有材料应为不燃性等等。本文不考虑这些问题，仅仅考虑影响常规高效过滤器（以过滤≥0.5μm为主）的选择中风量和阻力问题。
    实践中常规过滤器就是指高效空气过滤器标准中规定的A类和B类，它们是洁净厂房设计中最常用的高效过滤器，一般低于或等于10万级可以选A类；1万~100级可以选B类。凡是常规高效过滤器，对于≥0.5μm微粒的效率可按照5个“9”即0.9999计算。
首先要明确一下高效过滤器通过的风量与其阻力的关系，实验证明高效过滤器的阻力与流量是非直线关系，但在‘一般比额定风量大得不多时，阻力和通过风量的关系如近似看成直线关系，误差也不大’。表1是北京同创过滤器厂生产的高效过滤器规格表，图1是该厂生产的高效过滤器阻力特性曲线,由图1可以看出不同特征尺寸的过滤器其阻力的特性曲线是不同的，我们可以根据所选的过滤器的型号查它的相应阻力特性曲线得到它的阻力,为了方便选择我们把图1中的曲线处理一下，用每一个型号的曲线的横坐标风量去除以高效过滤器的特征尺寸（即高效过滤器的体积V=H×W×D），然后重新进行拟和成图2中的曲线，从图中可以看出两条曲线有重合的趋势，只要特征尺寸选择得当（可以考虑一下不同型号过滤器结构阻力，因为过滤器的真正过滤面积要小于过滤器的截面积，存在一个有效面积比，而且小型号的过滤器有效面积比较大，而大型号的小），两条曲线将更加逼近，两个拟和方程的相对应系数也相差不大。而且我们所需要的是额定风量 附近的曲线（图2中＜20000附近的曲线，即相当于额定风量以下的风量），对于我们工程选择来讲，这样的差距是可以忽略不计的。从表1中也可以看出，在相同初阻力下，每种型号过滤器的Q/（H×W×D）值也均大致相等，即在图2中有一个相同的状态点。因此我们可以得出这样的结论：在不大于额定风量的前提下，常规高效空气过滤器的阻力—流量特性曲线可以用一条曲线来描述，并且成线形分布。也就是说只要知道一种型号的过滤器的阻力—流量特性曲线就可以知道其它型号的过滤器大致的特性曲线，又因为成线形的分布，只要知道曲线上的两点便可以确定该直线（因为我们知道该直线过坐标原点，因此只要知道一点即可方便的确定该直线，这一点可以用高效过滤器额定风量下的初阻力确定），从而给过滤器的选择带来很大的方便。
表1、高效过滤器规格：
型号 特征尺寸
H×W×D（mm） 额定风量Q（m3/h） Q/（H×W×D）
（h-1） 初阻力
（Pa）
GB-01 484X484X220 1000 18182 执行1993年颁布的国标标准
A类≤190
B类≤220
GB-02 484X484X180 800 17778
GB-03 630X630X220 1500 17179
GB-04 630X630X180 1200 16797
GB-05 630X726X220 1500 14907
GB-06 484X968X220 2000 19404
GB-07 630X945X220 2250 17179
GB-08 630X1260X220 3000 17179
GB-09 610X610X150 1000 17916
GB-10 610X915X150 1500 17916
GB-11 610X1220X150 2000 17916
GB-12 320X320X260 500 18780
GB-13 600X820X220 1850 17092
由于高效过滤器的寿命T0是按照额定风量Q0下终阻力增加到等于初阻力的既定倍数（一般为2倍）时所使用的时间，此时高效空气过滤器的容尘量也达到了最大（也称标准容尘量P0），因此也可以认为高效过滤器的寿命T0是高效空气过滤器的容尘量达到了标准容尘量P0的时间。当过滤器在低风量Q1下运行时，此时Q1＜Q0,所以过滤器的寿命可以延长至T1，此时T1＞T0。T1和T0的关系可以用如下的关系式（1）计算：
过滤器的阻力增值和积尘量的关系可以近似看成直线关系，在‘标准容尘量之下时或者阻力增值不超过初阻力值1倍时，产生的误差不大；如果滤速超过常规，或容尘量已经超过标准容尘量，阻力将随着积尘量的增加而更快地增加。’而且高效空气过滤器的积尘量P是与过滤器的通风量Q1成正比的，我们可以得出如下的结论：如果空调系统中过滤器的设计阻力不相近，即偏差比较大，则阻力大的将导致其过滤风量相对该型号过滤器额定风量偏大，因此积尘量也相应的加快，导致其阻力的增值也加快，从而过滤器的寿命也将减小，而阻力小的过滤风量相对较小，则寿命相对较长，造成一个空调系统中寿命不相同，给将来过滤器的更换带来麻烦，并随着积尘量的增加会产生新的系统不平衡。同样地而作为空调系统主要阻力的高效空气过滤器（高效过滤器的初阻力至少也有100Pa，相当于含局部阻力的普通空调风管的100m以上长度的阻力），选择阻力相近，对于运行调节并满足风量平衡同样具有重要意义。因此正如设计规范中所要求的那样，设计时‘设置在同一洁净区内的高效（亚高效、超高效）空气过滤器的阻力、效率宜接近’是非常有必要的。
   下面具体地说明以下过滤器的选择方法，首先要根据高效过滤器的设计使用寿命T1来选择，可以根据上面公式（1），可以很方便的计算出在设计使用寿命下过滤器的设计风量Q1。根据公式可以得到以下表格2：
表2高效过滤器不同风量下的寿命
Q1 50%Q0 55% Q0 60% Q0 65% Q0 70% Q0 75% Q0 Q0
T1 3.5 T0 3.1 T0 2.7T0 2.4 T0 2.2 T0 1.9T0 T0
T1（年） 12.3 10.9 8.1 8.4 7.7 6.7 3.5
   我们可以按照设计使用寿命10年，查表2选择55%额定风量作为设计风量来选择过滤器型号，由上面的分析可以知道按照高效过滤器的额定风量的百分比所选对应的过滤器的阻力必定相等。下面的主要任务变成了选择风量所对应的过滤器型号。下表3是作者经常使用的高效过滤器不同厚度、不同额定风量百分比下的风量（m3/h）。
表3高效过滤器不同额定风量百分比下的风量（铁框）
型号 特征尺寸
H×W×D（mm） 额定风量Q0（m3/h） Q1=55%Q0 Q1/（H×W×D）
（h-1） 初阻力
（Pa）
01型
484X484X220 1000 550 10672 执行1993年颁布的国标标准
A类≤190
B类≤220
484X484X180 800 440 10435
484X484X150 650 358 10174
484X484X120 500 275 9783
02型 320X320X220 430 237 10498
320X320X180 344 189 10265
320X320X150 280 154 10026
320X320X120 215 118 9623
03型
630X630X220 1700 935 10708
630X630X180 1360 748 10470
630X630X150 1105 608 10208
630X630X120 850 468 9816
表4实际工程中的风量计算表
序号 名称 面积
㎡ 级别 换气次数（h-1） 送风量Q（m3/h） 过滤器型号
（H×W×D） 台数T 校核值Q1/（H×W×D）/T
1 换鞋 3.1 10万 15.0 120.9 320×320×120 1 9839
2 洗手 3.0 10万 15.0 117.0 320×320×120 1 9521
3 套衣 4.3 万 20.0 223.6 320×320×220 1 9925
4 物入 5.2 万 20.0 270.4 484×484×120 1 9619
5 实验室 11.6 万 20.0 603.2 630×630×150 1 10132
6 培养室 14.9 万 20.0 774.8 630×630×180 1 10845
7 种子室 8.7 万 20.0 452.4 484×484×180 1 10729
8 反应 27.0 万 40.0 4320.0 630×630×220 5 9895
9 缓冲 4.0 10万 15.0 156.0 320×320×150 1 10156
   我们以表4为例，该风量计算表是实际工程中的一例，我们按照实际送风量查表3中55%Q0风量所对应过滤器型号，该选择过程是一个试算的过程，如果现有的过滤器型号在55%风量下均能满足所有房间的送风量的要求，则停止试算；如果仅有少数房间不能满足，则可以选择比设计值大的型号中风量最小的那一档；如果大多数不能满足，则需要重新选择过滤器的寿命并重新计算所选过滤器额定风量的百分比，如可以选择50% Q0或60% Q0，继续试算直到满足前两条要求。最后可以通过设计风量除以其相应的过滤器特征尺寸（H×W×D），看是否相近，不平衡率相差10%以内即可认为所选过滤器基本阻力平衡。表4中经过试算和校核，不平衡率在10%以内，达到设计要求